Ingeniører har udviklet en separator, der stabiliserer gasformige elektrolytter for at gøre batterier med ultralav temperatur mere sikre

Ifølge rapporter i udenlandske medier har nanoingeniører ved University of California San Diego udviklet en batteriseparator, der kan fungere som en barriere mellem katoden og anoden for at forhindre den gasformige elektrolyt i batteriet i at fordampe. Den nye membran forhindrer stormens indre tryk i at akkumulere og forhindrer derved batteriet i at svulme og eksplodere.

Forskningslederen, Zheng Chen, professor i nanoteknik ved Jacobs School of Engineering ved University of California, San Diego, sagde: "Ved at fange gasmolekyler kan membranen fungere som en stabilisator for flygtige elektrolytter."

Den nye separator kan forbedre batteriets ydeevne ved ultralave temperaturer. Battericellen, der bruger membranen, kan fungere ved minus 40°C, og kapaciteten kan være helt op til 500 milliamperetimer pr. gram, mens det kommercielle membranbatteri i dette tilfælde har næsten nul strøm. Forskere siger, at selvom den står ubrugt i to måneder, er battericellekapaciteten stadig høj. Denne ydelse viser, at membranen også kan forlænge holdbarheden. Denne opdagelse gør det muligt for forskere at nå deres mål yderligere: at producere batterier, der kan levere elektricitet til køretøjer i iskolde miljøer, såsom rumfartøjer, satellitter og dybhavsskibe.

Denne forskning er baseret på en undersøgelse i laboratoriet af Ying Shirley Meng, professor i nanoteknik ved University of California, San Diego. Denne forskning bruger en bestemt flydende gaselektrolyt til at udvikle et batteri, der kan opretholde god ydeevne i et miljø minus 60°C for første gang. Blandt dem er den flydende gaselektrolyt en gas, der gøres flydende ved at påføre tryk og er mere modstandsdygtig over for lave temperaturer end traditionelle flydende elektrolytter.

Men denne slags elektrolyt har en defekt; det er nemt at skifte fra væske til gas. Chen sagde: "Dette problem er det største sikkerhedsproblem for denne elektrolyt." Trykket skal øges for at kondensere væskemolekylerne og holde elektrolytten i flydende tilstand for at bruge elektrolytten.

Chens laboratorium samarbejdede med Meng og Tod Pascal, professor i nanoteknik ved University of California, San Diego, for at løse dette problem. Ved at kombinere ekspertise fra computereksperter som Pascal med forskere som Chen og Meng er der udviklet en metode til at gøre den fordampede elektrolyt flydende uden at påføre for meget tryk hurtigt. Ovennævnte personale er tilknyttet Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) ved University of California, San Diego.

Denne metode låner fra et fysisk fænomen, hvor gasmolekyler kondenserer spontant, når de er fanget i små rum i nanoskala. Dette fænomen kaldes kapillær kondensation, som kan få gassen til at blive flydende ved et lavere tryk. Forskerholdet brugte dette fænomen til at konstruere en batteriseparator, der kan stabilisere elektrolytten i batterier med ultralav temperatur, en flydende gaselektrolyt lavet af fluormethan. Forskerne brugte et porøst krystallinsk materiale kaldet en metal-organisk ramme (MOF) til at skabe membranen. Det unikke ved MOF er, at det er fyldt med bittesmå porer, som kan fange fluormethan-gasmolekyler og kondensere dem ved relativt lavt tryk. F.eks. krymper fluormethan sædvanligvis ved minus 30°C og har en kraft på 118 psi; men hvis MOF bruges, er kondensationstrykket af porøs ved samme temperatur kun 11 psi.

Chen sagde: "Denne MOF reducerer markant det tryk, der kræves for at elektrolytten kan fungere. Derfor kan vores batteri levere en stor mængde kapacitet ved lave temperaturer uden nedbrydning." Forskerne testede en MOF-baseret separator i et lithium-ion-batteri. . Lithium-ion-batteriet består af en fluorcarbon-katode og en lithiummetalanode. Den kan fylde den med en gasformig fluormethanelektrolyt ved et indre tryk på 70 psi, langt lavere end det tryk, der kræves til at gøre fluormethan flydende. Batteriet kan stadig opretholde 57 % af sin rumtemperaturkapacitet ved minus 40°C. I modsætning hertil er effekten af ​​et kommercielt membranbatteri, der anvender en gasformig elektrolyt indeholdende fluormethan, næsten nul ved samme temperatur og tryk.

Mikroporerne baseret på MOF-separatoren er nøglen, fordi disse mikroporer kan holde flere elektrolytter flydende i batteriet selv under reduceret tryk. Den kommercielle membran har store porer og kan ikke tilbageholde gasformige elektrolytmolekyler under reduceret tryk. Men mikroporøsitet er ikke den eneste grund til, at membranen fungerer godt under disse forhold. Membranen designet af forskerne gør det også muligt for porerne at danne en kontinuerlig bane fra den ene ende til den anden og derved sikre, at lithium-ioner kan strømme frit gennem membranen. I testen er den ioniske ledningsevne af batteriet ved hjælp af den nye membran ved minus 40°C ti gange den for batteriet, der bruger den kommercielle membran.

Chens team tester i øjeblikket MOF-baserede separatorer på andre elektrolytter. Chen sagde: "Vi har set lignende effekter. Ved at bruge denne MOF som stabilisator kan forskellige elektrolytmolekyler adsorberes for at forbedre batterisikkerheden, herunder traditionelle lithiumbatterier med flygtige elektrolytter."